北京大气气溶胶的化学组成及雾霾探讨

大气气溶胶是不同种类化合物的混合物。气溶胶的化学组成指的是，混合了这些化合物的大气颗粒物的主要化学组分。基于气溶胶的质量平衡原理，根据测定的气溶胶中元素、可溶性离子、有机碳和元素碳的浓度，可测算北京大气气溶胶的化学组成。气溶胶的成分分析基于以下3个假设：①用有机碳浓度的1.2倍作为气溶胶中的有机物浓度。1.2倍是为了包含有机化合物中未测的H和O。气溶胶中有机化合物真正的化学组成并没有完全明了，文献中采用的转换倍数1.2或1.4［18，19］，也是有争议的。本章如果采用倍数1.4，将会导致总质量超过100%，所以我们采用了倍数1.2。②用Al、Si、Ca、Fe、Ti、Mg、K和Na的常见氧化物的总和作为地壳物质。受到分析方法的限制，本研究未有元素Si的数据，本文中Si的浓度是根据参考文献［20，21］中Si／Al的浓度比（4.0）推算所得。③痕量成分是排除上面地壳物质中提到的Al、Si、Ca、Fe、Ti、Mg、K和Na之外的所有测得元素之和。

图22-2展示了不同采样点、不同季节的气溶胶中的化学组成及各组分的浓度。结果表明，无论冬季还是夏季，SO 24-、NO 3-、NH 4+、有机物、地壳物质和元素C，是北京大气气溶胶PM 2.5中的6种主要组成成分，这6种组分总和占总质量浓度的85.8%～97.7%。其中，SO 24-为16.4%～26.1%，NO 3-为9.6%～17.5%，NH 4+为9.4%～14.3%，有机物为13.3%～30.9%，地壳物质为12.5%～15.5%，元素C为6.7%～12.0%。如果假设所有的SO24-均以（NH 4）2 SO4形式存在，那么其在夏季和冬季分别占PM 2.5总量的32.6%和25.3%；SO24-、NO 3-和NH 4+三者总和在夏季和冬季分别占PM 2.5的53.9%和39.3%。上述化学组成表明，煤燃烧和汽车尾气是北京大气气溶胶的两大主要来源。

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图22-2　北师大、首钢和怡海花园采样点PM 2.5的平均化学组成　（彩图见图版第11页，也见下载文件包，网址见正文14页脚注）

在所有采样点，有机碳和元素碳浓度占PM 2.5总质量浓度的百分比率，冬季要高于夏季，而硫酸盐和硝酸盐则夏季高于冬季。例如在怡海地区，冬季有机碳和元素碳分别占PM 2.5总浓度的24.7%和12.0%，显著高于夏季的17.8%和7.9%。冬季高比率的有机物可能与冬季燃煤取暖有关。在夏季，SO 2-4、NO-3和NH+4分别占PM 2.5总浓度的26.1%、17.5%和12.9%，而冬季仅占16.4%、10.6%和11.1%。夏季高强度的光照以及较高的温度，有利于大气中的光化学反应，导致二次气溶胶大量生成，而使得夏季SO 2-4、NO-3和NH+4在气溶胶总质量浓度中占有高百分比率。代表沙尘的地壳物质，夏季占PM 2.5总浓度13.0%～15.5%，冬季占12.5%～14.5%，且在北京3个采样点的分布比较均匀。这个结果表明，不仅有本地扬尘，而且由于北京地处亚洲沙尘长途传输的必经之地，外地入侵也是北京细颗粒物的一个重要来源。